孫程智

摘 要 計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)源于軟件需求。高級(jí)語(yǔ)言中用到的各種運(yùn)算，通過(guò)編譯成底層的算數(shù)運(yùn)算指令和邏輯運(yùn)算指令實(shí)現(xiàn)，這些底層運(yùn)算指令能在機(jī)器硬件上直接被執(zhí)行。因此在介紹運(yùn)算部件的設(shè)計(jì)之前，有必要先了解一下高級(jí)語(yǔ)言程序和機(jī)器指令所涉及到的一些運(yùn)算。所有高級(jí)語(yǔ)言的運(yùn)算功能大同小異，某一種語(yǔ)言能代表高級(jí)語(yǔ)言的總體情況，因此用C語(yǔ)言中的運(yùn)算為例進(jìn)行說(shuō)明。

關(guān)鍵詞 C語(yǔ)言 運(yùn)算 移位運(yùn)算

中圖分類號(hào)：G306；TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 C程序中涉及到的運(yùn)算

加減乘除等算數(shù)運(yùn)算是高級(jí)語(yǔ)言中必須提供的基本運(yùn)算，可以有無(wú)符號(hào)數(shù)的算數(shù)運(yùn)算、待符號(hào)整數(shù)的算數(shù)運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)的算數(shù)運(yùn)算。C語(yǔ)言中除了這些運(yùn)算以外，還有以下幾類基本運(yùn)算：按位運(yùn)算、漏記運(yùn)算、移位運(yùn)算、位擴(kuò)展和位截?cái)噙\(yùn)算。

1.1移位運(yùn)算

C語(yǔ)言中提供了一組移位運(yùn)算，移位操作有邏輯移位和算術(shù)移位兩種，邏輯移位不考慮符號(hào)為，總是把高位移出，低位補(bǔ)0。對(duì)于無(wú)符號(hào)整數(shù)的邏輯左移，如果最高位移出的是1，則發(fā)生溢出。因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)部的待符號(hào)整數(shù)都是用補(bǔ)碼表示的，所以對(duì)于待符號(hào)整數(shù)的移位操作應(yīng)采用補(bǔ)碼算數(shù)移位方式，左移時(shí)高位移出，低位補(bǔ)0如果移出的高位不同于移位后的符號(hào)位，即左移前，后符號(hào)位不同，則發(fā)生溢出，右移時(shí)低位移出高位補(bǔ)符號(hào)。雖然C語(yǔ)言沒(méi)有明確規(guī)定應(yīng)該采用邏輯移位還是算術(shù)移位，但是實(shí)際上許多機(jī)器和編譯器都對(duì)無(wú)符號(hào)整數(shù)采用邏輯移位方式，而對(duì)帶符號(hào)整數(shù)采用算術(shù)移位方式。

1.2邏輯運(yùn)算

C語(yǔ)言中的邏輯算符有：符號(hào)表示OR運(yùn)算；符號(hào)表示AND運(yùn)算；符號(hào)表示NOT運(yùn)算。邏輯運(yùn)算很容易和按位運(yùn)算混希，事實(shí)上他們的功能完全不同。邏輯運(yùn)算是非數(shù)值計(jì)算，其操作數(shù)只有兩個(gè)邏輯值True和False通常用非0數(shù)表示邏輯值True，而全0數(shù)表示邏輯值False；而按位運(yùn)算是一種數(shù)值運(yùn)算，運(yùn)算時(shí)將兩個(gè)操作數(shù)中對(duì)應(yīng)各二進(jìn)位按照指定的邏輯運(yùn)算規(guī)則逐位進(jìn)行計(jì)算。

1.3位擴(kuò)展和位截?cái)噙\(yùn)算

C語(yǔ)言中沒(méi)有明確的為擴(kuò)展運(yùn)算符，但是在進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換時(shí)，如果遇到一個(gè)短數(shù)項(xiàng)常數(shù)轉(zhuǎn)化，就要進(jìn)行為擴(kuò)展運(yùn)算了，進(jìn)行為擴(kuò)展運(yùn)算時(shí)，擴(kuò)展后的數(shù)值應(yīng)保持不變，有兩種為擴(kuò)展方式，0擴(kuò)展和符號(hào)擴(kuò)展。0擴(kuò)展用于無(wú)符號(hào)數(shù)只要在短的無(wú)符號(hào)數(shù)前添加足夠的0即可，符號(hào)擴(kuò)展用于補(bǔ)碼表示的帶符號(hào)整數(shù)，通過(guò)在短的帶符號(hào)整數(shù)前添加足夠多的符號(hào)位來(lái)擴(kuò)展。

1.4按位運(yùn)算

語(yǔ)言中的按位運(yùn)算有：符號(hào)“|”表示按位OR運(yùn)算，符號(hào)“&”表示按位AND運(yùn)算1；符號(hào)“～”表示按位NOT運(yùn)算；符號(hào)“^”表示按位XOR運(yùn)算。按位運(yùn)算的一個(gè)重要運(yùn)用就是實(shí)現(xiàn)掩碼操作，通過(guò)與給定的一個(gè)位模式進(jìn)行按位與可以提取所需要的為，然后可以對(duì)這些位進(jìn)行“置1”、“清0”、“1測(cè)試”或“0測(cè)試”等。這里位模式被稱為“掩碼”。

2 MIPS指令中涉及的運(yùn)算

高級(jí)語(yǔ)言中的所有運(yùn)算都是通過(guò)指令系統(tǒng)中的運(yùn)算指令實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)指令系統(tǒng)中涉及運(yùn)算的指令有很多。MIPS指令系統(tǒng)涉及的運(yùn)算有按位邏輯運(yùn)算、邏輯移位、算數(shù)移位、帶符號(hào)整數(shù)的加減乘除、無(wú)符號(hào)整數(shù)加減乘除、帶符號(hào)整數(shù)的符號(hào)擴(kuò)展、無(wú)符號(hào)數(shù)的0擴(kuò)展、單精度浮點(diǎn)數(shù)加減乘除、雙精度浮點(diǎn)數(shù)加減乘除等。MIPS指令中沒(méi)有專門的算術(shù)左移指令。因?yàn)閷?duì)于左移來(lái)說(shuō)邏輯移位和算術(shù)移位的結(jié)果都一樣，都是丟棄k個(gè)最高位。并在低位補(bǔ)k個(gè)0。所以，帶符號(hào)整數(shù)和無(wú)符號(hào)整數(shù)的左移都可用邏輯左移指令實(shí)現(xiàn)。利用MIPS提供的這些運(yùn)算指令完全能夠?qū)崿F(xiàn)C語(yǔ)言所需要的各種運(yùn)算要求。

3總結(jié)

C語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)不可或缺的一部分，我們應(yīng)該牢牢掌握。

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